Darwin vs. Lamarck - The genetic and epigenetic contribution to phenotypic variation in a vertebrate and an invertebrate model

Darwin en Lamarck, samen voor een hernieuwde kijk op evolutie

‘Nothing in biology makes sense, except in the light of evolution’. Of met andere woorden: alleen evolutie kan biologische feiten verklaren. Met deze uitspraak werd in 1973 de kerngedachte van de moderne evolutietheorie samengevat door de vooraanstaande evolutiebioloog Theodosius Dobzhansky. Het is dan ook deze uitspraak die als strijdleuze klinkt wanneer evolutiebiologen discussiëren met mensen die de evolutietheorie niet aanvaarden en zweren bij alternatieve verklaringen voor het leven. Veelal blijken er twee kampen te zijn in die discussies: evolutiebiologen aan de ene kant, en de zogenaamde creationisten aan de andere kant. Maar vormen evolutiebiologen dan werkelijk één gelijkgezind blok? En staat de evolutietheorie als een paal boven water? De titel doet alvast iets anders vermoeden…

Darwin vs. Lamarck?

Het bestaan van biologische evolutie leidt geen twijfel, maar volkomen eensgezindheid is er bij evolutiebiologen niet. Er wordt alsmaar meer bewijs gevonden dat de theorie grondig bijgeschaafd moet worden. Sterker nog, ideeën van vóór de tijd van Charles Darwin steken nu weer de kop op, en winnen onder wetenschappers terug aan populariteit. Betekent dit dat we Darwin van tafel vegen? Nee hoor, maar we halen er wel een andere pionier bij: Jean-Baptiste Lamarck.

Genetische vs. epigenetische overerving

Het grote verschil tussen de moderne evolutietheorie en de ideeën van Lamarck (1744-1829) zit in de manier waarop biologische eigenschappen doorgegeven worden van de ene naar de andere generatie. Volgens de moderne evolutietheorie gebeurt deze overerving op een genetische manier: biologische informatie zit vervat in de DNA-sequentie, is gegroepeerd tot genen, en wordt via de DNA-sequentie doorgegeven van ouder op nageslacht. Deze opvatting is het resultaat van de inzichten van Charles Darwin (1809-1882) en de erfelijkheidsleer van geneticus Gregor Mendel (1822-1884).

Lang voordat er nog maar sprake was van Darwin en Mendel formuleerde Lamarck echter zijn eigen theorie van evolutie en baseerde hij zich hierbij op de overerving van verworven, en dus niet-genetische, kenmerken. Een veel gegeven voorbeeld hiervan is het volgende: giraffen die hun nek moeten rekken om bij de bladeren van hoge bomen te geraken krijgen een langere nek, en hierdoor hebben ook hun nakomelingen een langere nek. Dit idee werd door wetenschappers echter bespot en verworpen. Immers, een hardwerkende smid krijgt sterkere armspieren, maar dat hoeft niet te betekenen dat zijn zonen eveneens sterke armspieren zullen krijgen.

Alsmaar vaker wordt echter geconcludeerd dat er dan misschien toch een grondje van waarheid in de ideeën van Lamarck zit, al draagt het nu een nieuw jasje: epigenetica. Epigenetische overerving wordt hierbij gedefinieerd als de overerving van biologische informatie die niet vervat zit in de DNA-sequentie. Verschillende mechanismen zijn hiervoor verantwoordelijk. Een eerste mechanisme van dergelijke epigenetische overerving gebeurt via gedrag. Koolmezen die van de ouders leren hoe ze melkflessen kunnen openen en het vervolgens ook hun nageslacht aanleren is hier een bekend voorbeeld van. Op een gelijkaardige manier kan bijvoorbeeld ook taal of muziek een epigenetisch overervingssysteem vormen. Eveneens op cellulair niveau bestaan verschillende epigenetische mechanismen. Door bijvoorbeeld binding van chemische groepen op het DNA kan de activiteit van genen beïnvloed worden wat zodoende een extra niveau van overerfbare informatie vertegenwoordigt. Aan dit laatste ontleent ‘epigenetica’ overigens zijn naam, het Griekse voorvoegsel epi vertaalt zich namelijk als op of bij. Op deze manier verwijst epigenetica naar alle overerfbare informatie die erbij komt bovenop de overerfbare genetische informatie.

Overerving van uiterlijke kenmerken bij gewervelden en ongewervelden

In de huidige studie werd bij verschillende natuurlijke populaties van de gewervelde Turquoise killivis en de ongewervelde watervlo uiterlijke kenmerken van de individuen onderzocht. Meer bepaald werd nagegaan of die kenmerken al dan niet bepaald worden door de omgeving en in welke mate genetische en epigenetische overerving hiertoe bijdragen. Hierbij werden levensgeschiedeniskenmerken onder de loep genomen: grootte en groei, levensduur, vruchtbaarheid etc. Om de invloed van de omgeving na te gaan werden de dieren ofwel geplaatst in de afwezigheid van roofvissen, ofwel in een gesimuleerde roofomgeving.

De omgeving bleek wel degelijk een belangrijke invloed uit te oefenen op de kenmerken van de dieren. Killivissen die leefden in de gesimuleerde aanwezigheid van roofvissen bleken een gewijzigde vruchtbaarheid te bezitten. Toch is de invloed van genetische overerving hier niet weg te denken. Immers, de ene killivis-populatie vertoonde een verhoogde vruchtbaarheid terwijl de andere net een verlaagde vruchtbaarheid vertoonde. Dit kan geïnterpreteerd worden als genetische adaptatie: de populaties zijn elk op hun eigen manier genetisch aangepast aan de omgeving. Ook bij watervlooien werden dergelijke fenomenen waargenomen. Hoewel ze zich klonaal voortplanten en dus allemaal genetisch identiek zijn, produceren watervlooien in een gesimuleerde roofomgeving meer nageslacht dan hun klonale zusjes in een roofvisvrije omgeving. Net als bij killivissen werden ook hier verschillen waargenomen tussen de individuen van de ene populatie en individuen van de andere populatie.

Terwijl al deze resultaten in overeenstemming zijn met de moderne evolutietheorie, werd eveneens bewijs gevonden dat deze laatste toch tekort schiet en moet bijgesteld worden. Bij watervlooien werd waargenomen dat hoewel ze allemaal genetisch identiek zijn, ze doorheen hun leven toch duidelijke uiterlijke verschillen verwerven en dat deze bovendien doorgegeven worden naar het nageslacht. Epigenetica verschijnt op het toneel, en werd in deze studie voor het eerst aangetoond door individuen overheen een gradiënt van verwantschappen (zussen, nichten, achternichten etc.) met elkaar te vergelijken. Lamarck verdient uiteindelijk dan toch zijn strepen: verworven kenmerken bij de ouders komen eveneens tot uiting bij hun nageslacht.

Een nood naar uitbreiding van de evolutietheorie

Evolutie blijkt niet enkel gebaseerd te zijn op genetische overerving, maar op een uitgebreide context van overerving die zowel genetische als epigenetische effecten omvat. Hoewel dergelijke bevindingen verschillende opvattingen en meningen bij evolutiebiologen voeden, lijken ze toch te vragen naar een revisie en een update van de huidige moderne evolutietheorie. ‘Nothing in biology makes sense, except in the light of evolution’, maar soms moet de lamp toch wat bijgesteld worden.